(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、誘導起電力を正弦波化してコギングトルクを小さくし、かつ騒音問題を解決できる永久磁石式回転電機を提供することにある。【解決手段】  固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、スロットの形状を略目形状にすることにより、誘起電圧を正弦波化してコギングトルクを激減させ、ティースが揺れる電磁力を小さくしたので騒音低減の永久磁石式回転電機を提供できる。【選択図】図１
2006101606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、該固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記スロットの形状を略目形状にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２】
固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、該固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記ティースの内周側にあって周方向に伸びた磁極片の厚みを該ティースの側面に近づくに従って大きくし、かつ該スロット外径部を該ティースの側面に近づくに従って小さくすることによって該スロット形状を略目形状にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項３】
固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、該固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記ティースの内周側にあって周方向に伸びた磁極片の厚みを該ティースの側面に近づくに従って大きくし、かつ該スロットの外径部を該ティースの側面に近づくに従って小さくすることによって該スロットの形状を略目形状とし、該ティースの側面にできる該スロットのクビレ部を１箇所にしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項４】
請求項３において、前記ティースの側面にできる前記スロットのクビレ部を１箇所とし、該クビレ部の該ティース側面の径方向長さを数mmに設定したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項５】
固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、該固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記ティースの内周側にあって周方向に伸びた磁極片の厚みを該ティースの側面に近づくに従って大きくし、かつ該スロットの外径部を該ティースの側面に近づくに従って小さくすることによって該スロットの形状を略目形状とし、該固定子の内径／外径の比を０.５〜０.６としたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかにおいて、前記永久磁石をＶ字またはＵ字形状もしくは一文字形状に配置すると共に、該永久磁石間に位置する前記回転子鉄心の一部をカットしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかにおいて、前記該永久磁石の上部の磁極鉄心の開度を電気角で１２０度近傍に設定し、該永久磁石間に位置する前記回転子鉄心の一部をダブルＶ字形状にカットしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項８】
固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、該固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承され、前記スロットの形状を略目形状にした永久磁石式回転電機を搭載した圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式回転電機及び永久磁石式回転電機を用いたエアコン，冷蔵庫，冷凍庫、あるいはショーケースなどの圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の永久磁石式回転電機においては、固定子巻線に集中巻が採用され、界磁には希土類のネオジウム永久磁石が採用されつつある。例えば、特開２００２−78255 号公報に記載の永久磁石式回転電機においては、回転子鉄心中にＶ字形状の永久磁石挿入孔を設けて永久磁石を配置し、この永久磁石間の極間鉄心削除するように凹部を設けることが提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−７８２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術では、回転子鉄心中にＶ字形状の永久磁石挿入孔を設けて永久磁石を配置し、この永久磁石間の極間鉄心削除するように凹部を設けることによって横軸リアクタンスを低減し、１２０度インバータで駆動しても転流失敗がなく、安定に駆動できる。しかしながら、エアコン，冷蔵庫，冷凍庫、あるいはショーケースなどの圧縮機に搭載された永久磁石式回転電機は極間鉄心を削除したことによってコギングトルクが大きくなり、騒音問題が発生する課題がある。
【０００５】
本発明の目的は、誘導起電力を正弦波化してコギングトルクを小さくし、かつ騒音を解決できる永久磁石式回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの特徴は、永久磁石式回転電機を固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承され、スロットの形状を略目形状にした点にある。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、永久磁石式回転電機及びそれを用いた圧縮機の騒音を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明では、固定子鉄心に形成された複数のスロット内にティースを取り囲むように集中巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔を設け、その永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、永久磁石挿入孔をＶまたはＵ字形状もしくは一文字形状に形成してその中に永久磁石を配置し、永久磁石の上部の磁極鉄心の開度を電気角で１２０度近傍に設定し、永久磁石間に位置する回転子鉄心の一部をダブルＶ字形状にカットすると共に、ティースの内周側にあって周方向に伸びた磁極片の厚みをティースの側面に近づくに従って大きくし、かつスロットの外径部をティースの側面に近づくに従って小さくすることによってスロットの形状を略目形状とし、ティースの側面にできるスロットのクビレ部を１箇所に設定したものである。
【０００９】
騒音はコギングトルクとティースの動きに関係する。コギングトルクについては永久磁石挿入孔をＶまたはＵ字形状もしくは一文字形状に形成してその中に永久磁石を配置し、永久磁石の上部の磁極鉄心の開度を電気角で１２０度近傍に設定し、永久磁石間に位置する回転子鉄心の一部をダブルＶ字形状にカットすると共に、ティースの内周側にあって周方向に伸びた磁極片の厚みをティースの側面に近づくに従って大きくし、かつスロットの外径部をティースの側面に近づくに従って小さくすることによってスロットの形状を略目形状とし、ティースの側面にできるスロットのクビレ部を１箇所に設定したことにより、永久磁石の磁束が磁極片を介してスムーズに集められる結果、磁気回路各部の磁気飽和が解消されてコギングトルクが小さくなる。また、ティースの動きについてはインバータでの運転時、ＵＶ間，ＶＷ間又はＷＵ間に電流が供給される通電モードがあり、このとき各ティースは互いに引っ張られ、離される磁気吸引力が作用する結果、固定子鉄心が変形し、騒音発生原因となる。これに対し、本発明ではティースの内周側にあって周方向に伸びた磁極片の厚みをティースの側面に近づくに従って大きくし、かつスロットの外径部をティースの側面に近づくに従って小さくすることによってスロットの形状を略目形状とし、ティースの側面にできるスロットのクビレ部を１箇所に設定したことにより、ティースの曲げ強度が増加し、また電機子巻線をスロット内に分散して巻装している結果、ティースの変形量が小さくなり、騒音を低減したものである。
【００１０】
以下、本発明の実施例を図１〜図１２を用いて詳細に説明する。各図中において、共通する符号は同一物を示す。また、ここでは４極の永久磁石式回転電機について示し、回転子の極数と固定子のスロット数との比を２：３とした。
【実施例１】
【００１１】
図１は本発明による永久磁石式回転電機の実施例１の径方向断面形状、図２は本発明による図１の固定子の寸法形状を示す径方向断面形状、図３は本実施例による図１の回転子の径方向断面形状と斜視図を示す。図１において、永久磁石式回転電機１は固定子２と回転子３から構成される。固定子２はティース４とコアバック５からなる固定子鉄心６と、ティース４間のスロット７内にはティース４を取り囲むように巻装された集中巻の電機子巻線８（三相巻線のＵ相巻線８ａ，Ｖ相巻線８ｂ，Ｗ相巻線８ｃからなる）から構成される。ここで、永久磁石式回転電機１は４極６スロットであるから、スロットピッチは電気角で１２０度である。回転子３はシャフト（図示せず）孔９を形成した回転子鉄心１０の外周表面近傍に一文字形状の永久磁石挿入孔１１を形成し、永久磁石挿入孔１１中に希土類のネオジウム永久磁石１２を固定している。永久磁石１２の磁束軸上にある鉄心が磁極鉄心１３となる。
【００１２】
図１の特徴はスロット７の形状にある。固定子鉄心６は図２に示すように、固定子２の内径Ｄ１とスロット７の外径Ｄ２の平均径をＤ３とした時、ティース４の内周側にあって周方向に伸びたものを磁極片１４とし、平均径Ｄ３の内径側から半径Ｒ１でスロット外径側からティース４の側面に向かって円弧を引き、平均径Ｄ３の外径側から半径Ｒ２で磁極片１４の外径側からティース４の側面に向かって円弧を引くと、ティース４の側面１５
（○印）に「くの字」のクビレ部が形成できる。すなわち、ティース４の内周側にあって周方向に伸びた磁極片１４の厚みをティース４の側面１５に近づくに従って大きくし、かつスロット７の外径部をティースの側面１５に近づくに従って小さくすることによってスロット７の形状を略目の形状にしたものである。なお、固定子鉄心６の外径Ｄ４と固定子内径Ｄ１の比はＤ１／Ｄ４＝０.５４の形状である。
【００１３】
この結果、図中には電機子巻線８の８ａと８ｂを同一スロット７中に配置して示したが、巻線に電磁力が作用した場合、ティース４の側面に平坦部が形成されていないため、巻線に電磁力がＰ１，Ｐ２方向に分散され、ティース４を揺り動かす電磁力が低減される。
【００１４】
１２０度通電インバータ（図示せず）や１８０度通電インバータ（図示せず）で本発明の永久磁石式回転電機１を駆動した場合、Ｕ−Ｖ，Ｖ−ＷあるいはＷ−Ｕ間の２相通電の状態が生じ、この時ティース４が互いに引き合い、これが電磁振動の原因となる。これに対し、本発明ではティース４の側面に平坦部が形成されていないため、巻線に電磁力が
Ｐ１，Ｐ２方向に分散され、ティース４を揺り動かす電磁力が低減される結果、振動・騒音を低減できる。
【００１５】
クビレ部は図示では鋭角の交点として示しているが、順送型のホローダイで鉄心を打ち抜く時には鋭角が打ち抜けず、少々のＲを形成する。Ｒの寸法は任意に設定できるが、数mmとしている。なお、固定子鉄心６のティース４の外径側には直線部１６と圧縮機（図示せず）などに適用した時の冷媒の通リ道となる冷媒通路部１７を形成している。
【００１６】
回転子３は図３（ａ）に示す径方向断面形状と図３（ｂ）に示す斜視図に示すように、磁極鉄心１３の開度をθ１、磁極鉄心１３の段落としの開度をθ２、機械角９０度で電気角１８０度をθ３とした時、θ１を電気角で１２０度近傍に設定している。また、永久磁石１２間の鉄心をダブルＶ字にカット（ダブルＶ字カット１８）し、永久磁石１２の端部の磁束変化を抑えている。
【００１７】
図４には本発明による誘導起電力波形とコギングトルク波形を示し、図４（ａ）は本発明の誘導起電力波形を従来と比較して示し、図４（ｂ）には本発明のコギンギトルク波形を従来と比較して示している。図４より、スロット７の形状を略目の形状にした本発明の永久磁石式回転電機１は従来に対し、誘導起電力のひずみ率が約３０％、コギングトルクも約４８％まで低減していることが分かる。１２０度通電インバータ(図示せず)や１８０度通電インバータ（図示せず）は電圧形インバータであるため、誘導起電力の電圧ひずみ率に対応して高調波電流が供給され、騒音発生原因となる。これより、本発明の永久磁石式回転電機１をインバータで駆動しても高調波電流が供給されず、またコギングトルクに起因する騒音を低減できる。
【００１８】
図５は本発明の実施例１に係る電動圧縮機を示すもので、軸方向断面形状を示す。図５において、電動圧縮機２０１は、外観がケースで形成されている。ケースは、円筒状のフレーム２０２と上端側の上蓋３０３と下端側の下蓋２０４から構成される。フレーム202は密封の容器になっている。このフレーム２０２内には、永久磁石式回転電機１とスクロール圧縮機と呼称される圧縮要素２０６が収納されている。
【００１９】
圧縮要素２０６は、固定スクロール部材２０７の端板２０８に直立する渦巻状ラップ
２０９と、旋回スクロール部材２１０の端板２１１に直立する渦巻状ラップ２１２とを噛み合わせて形成し、旋回スクロール部材２１０をクランク回転軸２１３によって旋回運動させることによって圧縮動作を行う。
【００２０】
固定スクロール部材２０７および旋回スクロール部材２１０によって形成される圧縮室２１４（２１４ａ，２１４ｂ，…）のうち、最も外径側に位置している圧縮室は、旋回運動に伴って両スクロール部材２０７，２１０の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。圧縮室２１４ａ，２１４ｂが両スクロール部材２０７，２１０の中心近傍に達すると、両圧縮室２１４内の吸入パイプ２１５からの圧縮ガスは圧縮室２１４と連通した吐出口２１６から吐出される。
【００２１】
吐出された圧縮ガスは固定スクロール部材２０７および固定部材２１７に設けられたガス通路（図示せず）を通って固定部材２１７下部のフレーム２０２内に至り、フレーム
２０２の側壁に設けられた吐出パイプ２１８から電動圧縮機２０１外に排出される。
【００２２】
また、電動圧縮機２０１を構成する永久磁石式回転電機１は、別置のインバータ（図示せず）によって制御され、圧縮動作に適した回転速度で回転する。ここで、永久磁石式回転電機１は固定子２と回転子３から構成される。回転子３に設けられる回転軸２１３は、上側がクランク軸になっている。回転軸２１３の内部には、油孔２２１が形成され、回転軸２１３の回転によってフレーム２０２の下部にある油溜め部２２２の潤滑油が油孔221を介して滑り軸受タイプの上側軸受部２２３，ボール軸受タイプの下側軸受部２２４に供給される。また、２２５はターミナルであり、インバータからの電力を永久磁石式回転電機１に供給するものである。２２６は台座である。
【００２３】
図６は、上記の電動圧縮機２０１について測定した騒音をグラフで示したものである。この電動圧縮機２０１は冷暖房能力が公称２.２ｋＷから３.７ｋＷであり、冷媒として
Ｒ４１０Ａを封入して動作させた。測定マイクは永久磁石式回転電機１の軸方向中央部の位置で、径方向に１ｍ離して測定した。
【００２４】
図６は、横軸に周波数成分、縦軸に騒音を取り、従来の電動圧縮機と本発明の電動圧縮機の測定データを併せて示した。なお、従来の電動圧縮機は、ティースの側面に平坦部を設けたものを用いた。
【００２５】
図６に示されているように、本発明の電動圧縮機２０１の騒音が従来より大幅に小さくなっている。図７には騒音のオーバーオール（ＯＡ）値を示した。図７に示されているように、本発明の電動圧縮機２０１の騒音は、従来より１３.１ｄＢ と大幅に低減されている。
【実施例２】
【００２６】
図８，図９において、図１，図２と異なるのはスロット７の形状である。すなわち、固定子鉄心６は図９に示すように、固定子２の内径Ｄ１とスロット７の外径Ｄ２の平均径をＤ３とした時、平均径Ｄ３の内径側の磁極片１４から半径Ｒ１でスロット外径側からティース４の側面に向かって円弧を引き、平均径Ｄ３の外径側の固定子鉄心６の外径側近傍から半径Ｒ２で磁極片１４の外径側からティース４の側面に向かって円弧を引くと、ティース４の側面１５（○印中）に「くの字」のクビレ部が形成できる。このクビレ部は図２に示したクビレ部より大きくクビレている。すなわち、ティース４の内周側にあって周方向に伸びた磁極片１４の厚みをティース４の側面に近づくに従って大きくし、かつスロット７の外径部をティースの側面に近づくに従って小さくすることによってスロット７の形状を略目の形状にしたものである。なお、固定子鉄心６の外径Ｄ４と固定子内径Ｄ１の比はＤ１／Ｄ４＝０.６ の形状である。これによっても図１と同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００２７】
図１０は本発明による実施例３の永久磁石式回転電機１の径方向断面形状を示す。図
１０において、図１と異なるのはスロット７の形状であり、固定子鉄心６の外径Ｄ４と固定子内径Ｄ１の比をＤ１／Ｄ４＝０.５ に設定したものである。これによっても図１と同様の効果が得られる。
【実施例４】
【００２８】
図１１は本発明による実施例４の永久磁石式回転電機１の径方向断面形状を示す。図
１１において、図１と異なるのは永久磁石１２をＶ字形状に配置したものであり、これによっても図１と同様の効果が得られる。
【実施例５】
【００２９】
図１２は本発明による実施例５の永久磁石式回転電機１の径方向断面形状を示す。図
１１において、図１と異なるのは永久磁石１２をＵ字形状に配置したものであり、これによっても図１と同様の効果が得られる。
【００３０】
上述のように、本発明の実施例によれば、ティースの内周側にあって周方向に伸びた磁極片の厚みをティースの側面に近づくに従って大きくし、かつスロットの外径部をティースの側面に近づくに従って小さくすることによってスロットの形状を略目形状とし、ティースの側面にできるスロットのクビレ部を１箇所に設定したものであり、誘導起電力のひずみ率が小さくなり、コギングトルクが半減し、騒音を低減した永久磁石式回転電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の永久磁石式回転電機の実施例１の径方向断面形状を示す断面図。
【図２】本発明による図１の固定子の寸法形状の径方向断面形状を示す断面図。
【図３】本発明による図１の回転子の径方向断面形状と斜視図を示す図。
【図４】本発明による実施例１の誘導起電力波形とコギングトルク波形を示す図。
【図５】本発明の実施例１に係る電動圧縮機を示す図。
【図６】本発明の実施例１に係る電動圧縮機の騒音試験結果を示す図。
【図７】本発明の実施例１に係る電動圧縮機のＯＡ騒音値を示す図。
【図８】本発明の実施例２の永久磁石式回転電機の径方向断面形状を示す図。
【図９】本発明の実施例２の固定子の径方向断面形状を示す図。
【図１０】本発明による実施例３の永久磁石式回転電機の径方向断面形状を示す図。
【図１１】本発明による実施例４の永久磁石式回転電機の径方向断面形状を示す図。
【図１２】本発明による実施例５の永久磁石式回転電機の径方向断面形状を示す図。
【符号の説明】
【００３２】
１…回転電機、２…固定子、３…回転子、４…ティース、５…コアバック、６…固定子鉄心、７…スロット、８…電機子巻線、９…孔、１０…回転子鉄心、１１…永久磁石挿入孔、１２…永久磁石、１３…磁極鉄心、１４…磁極片、１６…直線部、１７…冷媒通路部、２０１…電動圧縮機、２０２…フレーム、２０４…下蓋、２０６…圧縮要素、２０７…固定スクロール部材、２０８，２１１…端板、２０９，２１２…渦巻状ラップ、２１０…旋回スクロール部材、２１３…クランク回転軸、２１４…圧縮室、２１５…吸入パイプ、２１６…吐出口、２１７…固定部材、２１８…吐出パイプ、２２１…油孔、２２２…油溜め部、２２３，２２４…軸受部、２２５…ターミナル、２２６…台座、３０３…上蓋。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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